正交試驗優化制備多孔陶瓷吸聲材料

高富強，曾令可

（1. 廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 511447；2. 華南理工大學，廣東 廣州 510640）

正交試驗優化制備多孔陶瓷吸聲材料

高富強1，曾令可2

（1. 廣州能源檢測研究院，廣東 廣州 511447；2. 華南理工大學，廣東 廣州 510640）

設計了L9(34)正交實驗，選擇拋光磚廢料、普通水泥、冷卻速度作為因素，以平均吸聲性能和強度作為評價指標。正交實驗結果表明：冷卻速度對吸聲材料綜合性能和平均吸聲系數的影響最顯著，而冷卻速度對強度的影響不顯著。普通水泥加入量愈多，發泡效果愈好，吸聲效果愈明顯，但制品強度愈差；冷卻速度越快，平均吸聲性能越好，對強度影響較小。關鍵詞：正交試驗；多孔陶瓷；吸聲材料

0 引 言

隨著工業和城鎮化的迅速發展，噪聲污染日趨嚴重，不僅影響人們正常的工作、學習和生活，而且危害人體健康[1-3]。為達到降低噪聲的目的，開發優良的吸聲材料顯得十分重要[4-6]。本文根據吸聲材料應具備安全性、裝飾性和低成本的原則，采用嚴重污染環境的陶瓷拋光磚廢料為原料，設計正交試驗優化制備適于在多種場合使用的多孔陶瓷吸聲材料。

1 實 驗

實驗所用主要原料及其成分如表1和表2所示。拋光磚廢料、普通水泥等原料取自佛山歐神諾陶瓷股份有限公司。

為了調整坯料的性能，獲得分散性能好的坯料，制備出的坯體具有一定強度。一般需要加入一些添加劑，實驗所用的分散劑是三聚磷酸鈉，坯體增強劑是羧甲基纖維素。

本文所用的主要實驗設備及分析儀器見表3所示。

為制備理想的多孔陶瓷吸聲材料，采用正交實驗優化配方：采用正交表L9(34)，設計三因素三水平的正交實驗，以陶瓷基礎料為主要原料，考察A(拋光磚廢料加入量)、B(外加劑普通水泥加入量)及C(冷卻速度)的影響。在以上單因素實驗結果分析基礎上選擇合適的水平范圍，選定拋光磚廢料(A)的摻量為25-35%；膠凝材料普通水泥(B)的摻量為5-15%，冷卻速度(C)的時間為30 min-2 h，以斷裂模數和吸聲性能為評價指標，見表4。

按照表5的配方，取原料陶瓷基礎料、拋光磚廢料(A)，及0.5%的三聚磷酸鈉作為分散劑，0.1%的聚甲基纖維素作為增強劑，球磨混合、干燥造粒，再加入外加劑普通水泥(B)、3%STPP，人工混合充分。在15 MPa半干法壓機壓制100×100 mm規格樣品，用電熱鼓風干燥箱100 ℃干燥至恒重，電爐燒成，拋光1.5-2 mm平整后得到樣品。

采用駐波管法測定吸聲系數，具體使用JTZB吸聲系數測試系統，生產廠家為北京世紀建通科技發展有限公司，該測試系統符合國家標準GBJ88-1985《駐波管法吸聲系數與聲阻抗率測量規范》。

表1 實驗用的主要原料及其成份 (wt.%)Tab.1 Main raw materials and their components (wt.%)

表2 化工原料Tab.2 Chemical materials

表3 實驗用主要儀器設備Tab.3 Main instruments and equipment

表4 正交實驗的因素與水平Tab.4 Factors and levels of the orthogonal experiment

2 結果與分析

通過實驗后，得出配方不同配比下的燒成樣品，并對其進行強度和吸聲性能測試。為測試吸聲性能，利用水刀對試樣切制成直徑99.5 mm的圓片后，得到的實物見圖1。

在表6中，均值定義為[Kij]平均=Kij/n，其中，Kij為第j列上水平號為i的各實驗結果之和，n為第j列上水平號i出現的次數。[Kij]平均表示第j列的因

素取水平i時，進行實驗所得實驗數據的平均值。極差既可定義為Rj=maxi{Kij}-mini{Kij}，也可定義為Rj=maxi{[Kij]平均}-mini{[Kij]平均}，在本實驗中，取后者進行計算。計算過程如下：

表5 配方設計Tab.5 Formula design

表6 正交實驗表及結果分析Tab.6 Orthogonal experiments and result analysis

平均吸聲系數的[K11]平均=(0.316+0.215+0.147)/3 =0.226

同理，計算其它列的極差，結果列在表6中。分析可知：在實驗考察范圍內，冷卻速度(C)對吸聲材料綜合性能和平均吸聲系數的影響最顯著，而冷卻速度(C)對強度的影響不顯著。

圖1 正交實驗配方燒成的樣品圖Fig.1 Samples prepared by orthogonal experiment

圖2 正交實驗效應曲線圖Fig.2 The orthogonal experiment effect curves

圖3 各樣品的平均吸聲系數和顯氣孔率Fig.3 Average sound absorption coeff i cients and apparent porosities

表7 樣品其它性能Tab.7 Other properties of the samples

極差的不同可以反映出各因素水平的改變對實驗結果的影響是不同的。在本實驗中，各因素對吸聲性能影響的大小順序為C＞B＞A，即冷卻速度＞普通水泥量＞拋光磚廢料量，而各因素對強度影響的大小順序為B＞A＞C，即普通水泥量＞拋光磚廢料量＞冷卻速度。因子的水平和平均吸聲系數、強度的關系見圖2。通過正交實驗效應曲線圖直觀得到：普通水泥加入量愈多，發泡效果愈好，吸聲效果愈明顯，但制品強度愈差；冷卻速度越快，平均吸聲性能越好，但對強度影響不大。

試樣其它性能測試結果見表7和圖3。分析表7、圖3數據可知，材料的吸聲系數與孔隙率，尤其與顯氣孔率存在很大關系。材料的吸聲系數與顯氣孔率存在正相關，與閉孔率沒有明顯的關系。那是因為孔隙率、顯氣孔率愈高，孔與孔之間三維連通的程度愈高，孔隙延伸的曲折度就愈大，內部通道愈復雜，就使得聲波入射進入材料后，在連通孔隙中消耗更大，因此吸聲性能相應得到提高。降低體積密度、增加顯氣孔率、增大孔隙壁的粗糙程度可以提高孔隙中空氣的粘滯性，因此增加三維連通型氣孔有利于提高粘滯阻力，進而改善材料的吸聲性能。但通常氣孔孔徑小的試樣其顯氣孔率較低，因此吸聲性能也相應較差。

3 結 論

通過L9(34)正交實驗結果表明，最佳配方及條件為：陶瓷基礎料75wt.%，拋光磚廢料25wt.%，外加普通水泥10wt.%，三聚磷酸鈉3wt.%，較佳冷卻時間為0.5 h。冷卻速度對吸聲材料綜合性能和平均吸聲系數的影響最顯著，而冷卻速度對強度的影響不顯著。通過正交實驗效應曲線圖直觀得到：普通水泥加入量愈多，發泡效果愈好，吸聲效果愈明顯，但制品強度愈差；冷卻速度越快，平均吸聲性能越好，對強度影響不大。

[1] 曾令可, 金雪莉, 劉艷春. 陶瓷廢料回收利用技術[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010: 97-118.

[2] 謝代義, 吳清仁, 楊媛, 等. 陶瓷拋光廢料對多孔陶瓷輕質磚性能及結構影響的研究[J]. 中國陶瓷, 2008, 44(1): 26-29.

[3] 慧, 叢川波, 宋泳, 等. 添加造孔劑法制備多孔陶瓷及其強度與孔徑控制[J]. 中國陶瓷, 2009, 45(2): 33-38.

[4] 趙毅, 朱振峰, 賀瑞華, 等. 多孔陶瓷材料的研究現狀及應用[J].陶瓷. 2008(7): 27-30.

[5] 潘順浩. 多孔陶瓷材料的制備與前景[J]. 河南建材, 2009(2): 149-150.

[6] 王圣威, 金宗哲, 黃麗容. 多孔陶瓷材料的制備及應用研究進展[J]. 硅酸鹽通報, 2006, 25(4): 124-128.

Preparation of Porous Ceramics Sound Absorption Material through an Orthogonal Experiment

GAO Fuqiang1, ZENG Lingke2
(1. Guangzhou Institute of Energy Testing, Guangzhou 511447, Guangdong, China; 2. South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

The orthogonal experiment of L9(34) was carried out, choosing the polished brick waste, cement, and cooling speed as the factors, the average sound absorption performance and intensity as the evaluation indexes. The best recipe was selected. The result shows that the inf l uence of the cooling rate on the comprehensive performance and the average sound absorption coeff i cient of the sound absorbing material was the most obvious, and the effect of the cooling rate on the intensity of the sound absorbing material was not signif i cant. The more amount of cement, the better the foaming and sound-absorbing effect. However, the strength of the prepared material was poor. The faster the cooling rate, the better the average sound absorption performance. The cooling rate had smaller inf l uence on the strength of the prepared material.

orthogonal experiment; porous ceramics; sound absorption material

date:2017-05-16. Revised date: 2017-05-18.

TQ174.75

A

1006-2874(2017)04-0005-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.04.002

2017-05-16。

2017-05-18。

高富強，男，碩士，工程師。

Correspondent author:.GAO Fuqiang, male, Master, Engineer.

E-mail:406148924@qq.com